khí cụ điện tử

Lê Ngọc Bích
Khí cụ điện tử
05/23/14
TS. Lê Ngọc Bích
Khoa Cơ Khí
Bộ môn Cơ Điện Tử
Lê Ngọc Bích
Transistor BJT công suất
Lê Ngọc Bích
Transistor BJT công suất

Transistor công suất là linh kiện bán dẫn được điều
khiển đóng và điều khiển ngắt.

Transistor công suất hoạt động ở vùng bão hòa vì vậy
có điện áp khi đóng nhỏ, giống như khóa đóng ngắt.

Tần số đóng ngắt của Transistor công suất lớn hơn
gấp nhiều lần so với thyristors, tuy nhiên điện áp và
dòng điện định mức của một số transistor công suất
nhỏ hơn so với Thyristors, vì vậy có ứng dụng trong
các bộ biến đổi công suất vừa và nhỏ.

Ứng dụng trong các bộ biến đổi DC-DC, DC-AC với
diode ngược để có thể cho dòng điện chạy cả hai
chiều
Lê Ngọc Bích
Transistor BJT công suất

BJT có cấu trúc gồm 3 lớp dạng N-P-N hoặc P-N-
P. Tuy nhiên dạng N-P-N được sử dụng nhiều hơn

vì loại này có kích thước nhỏ hơn với cùng một
mức điện áp và dòng điện.

BJT có hai lớp tiếp xúc p-n: Collector – Base
(CBJ) và Base – Emitter (BEJ). Lớp tiếp xúc BEJ
phân cực theo chiều thuận để kéo điện tử về vùng
Base, Lớp tiếp xúc CBJ phân cực theo chiều
nghịch để thu điện tử về vùng Collector.

BJT có 3 điện cực Collector (C), Emitter (E) và
Base (B) và được điều khiển hoàn toàn bằng dòng
điện IB thông qua cực B và E. Mạch công suất nối
giữa 2 cực C và E.
Lê Ngọc Bích
Transistor BJT công suất

Cấu tạo và nguyên lý hoạt
động:

Loại NPN (tín hiệu kích
dương)
Lê Ngọc Bích
Transistor BJT công suất

Loại PNP (tín hiệu kích âm)
Lê Ngọc Bích
Transistor BJT công suất

Active -Vùng tích cực hay
vùng tuyến tính: là vùng mà

transistor hoạt động ở chế
độ khuếch đại tín hiệu,
tương ứng với các giá trị
làm việc U
CE
> U
CESAT
và dòng
I
C
>I
CO
.
I
C
=h
FE
.I
B

Trongđó:
•
h
FE
là hệ số khuếch đại
dòngđiện
Lê Ngọc Bích
Transistor BJT công suất

Một số tính chất của BJTở chế độ tuyến tính:


Dòng điện IC tỷ lệ với dòng IB.

Dòng IC hầu như không phụ thuộc vào điện áp trên
Collector.

Điện áp trên Base không phụ thuộc vào điện áp trên
Collector và hầu như không phụ thuộc vào dòng IB.
Lê Ngọc Bích
Transistor BJT công suất

b. Saturation -Vùng bão hòa: Dòngđiện Base IB khá lớn với điện áp VCE
nhỏ mà BJT hoạt m động như một khóa. Cả hai lớp tiếp xúc đều phân cực
thuận Collector – Base (CBJ) và Base – Emitter (BEJ).

Để chuyển chế đột uyến tính sang chế độ bão hòa cần phải tăng giá trị dòng IB
cho đến khi điện áp UCE giảm đến giá trị mà ở đó lớp tiếp xúc C-B phân cực
thuận.Ở chế độ bão hòa điện áp giữa C và E khá nhỏ nên BJT có thể thay thế
bằng khóa đóng với điện áp rơi nhỏ.

Tại điểm làm việc nằm trong vùng bão hòa, transistor sẽ đóng, dòng IC dẫn và
điện thế UCE= UCESAT =1-2 V. BJT có thể thay thế bằng khóa đóng ngắt với
điện áp rơi nhỏ. Do dòng điện IB>IB_SAT, dòng điện qua collector IC hầu
như không thay đổi.

Điều kiện bão hòa của BJT l UCB=UCE-UBE=0.Độ bõa hòa đạt được khi thỏa
mãn điều kiện UBE>0.

Trong chế độ bão hòa dòng điện IB bao giờ cũng có giá trị lớn hơn dòng điện
cần thiết để tạo dòng IC so với chế độ tuyến tính.


Điều kiện UBE=0 thường được gọi là chế độ giới hạn (biên giới), nghĩa là nó
đặc trưng cho việc chuyển từ chế độ tuyến tính sang chế độ bão hòa.
Lê Ngọc Bích
Transistor BJT công suất

Cutoff - Vùng nghịch: Đặc tính ra với thông số iB = 0 nằm
trong vùng này. Transistor ở chế độ ngắt. Dòng Base
không đủ lớn để đóng BJT. Cả hai lớp tiếp xúc đều phân
cực ngược

Tổn hao công suất trong BJT:
Lê Ngọc Bích
Transistor BJT công suất

Mạnh Darlinton:

Các transistor công suất lớn
có hệ số h
FE
chỉ khoảng 10- 20.
Do đó, để giảm bớt dòng kích
I
B
, tức tăng h
FE
có thể ghép nối
tiếp các transistor công suất
theo cấu hình Darlington. Bất
lợi của cấu hình Darlington là

độ sụt áp U
CE
bị tăng lên và tần
số đóng ngắt bị giảm.
Lê Ngọc Bích
Transistor BJT công suất

Các thông số cơ bản BJT

a.Điện áp định mức: phụ thuộc vào điện áp đánh thủng các lớp bán dẫn
và xác định bởi giá điện áp cực đại đặt lên lớp collector-emitter U
CEOM

khi I
B
= 0 và giá trị cực đại điện thế lớp emitter-base b U
EBOM
khi I
C
= 0.

b. Dòng điện định mức: giá trị cực đại của dòng collector I
CM
, dòng
emitter I
EM
và dòng kích I
BM
. Đó là các giá trị cực đại tức thời của
transistor khi đóng trong trạng thái bão hòa. Khi thiết lập chúng, ta xét

đ ế n ảnh hưởng của các mối tiếp xúc, dây dẫn tới điện cực và các giá
trị h
FESAT
và U
CESAT
.

c. Công suất tổn hao: công suất tổn hao tạo nên trong hoạt động của
transistor không được phép làm nóng bán dẫn vượt quá giá trị nhiệt độ
cho phép T
M
(T
M
=1500C). Vì thế, cần làm mát transistor và toàn bộ
công suất tổn hao phải nhỏ hơn P
M
. Giá trị P
M
phụ thuộc vào phương
pháp làm mát và nhiệt độ môi trường.
Lê Ngọc Bích
Transistor BJT công suất

d. Một số tính chất và thông số

BJT là linh kiện bán dẫn điều khiển đóng ngắt bằng dòng điện Base I
B
.
Nếu muốn điều khiển dòng tải (I
C

) lớn cần phải tăng dòng điện I
B
, làm
cho tổn hao công suất và nhiệt độ linh kiện tăng.
-Không có khả năng khoá áp ngược.
-Điện áp định mức đến 1500V.
-Dòng điện định mức đ ến 400A.
-Tần số định mức 10 kHz.
-Điện áp V
BE
1- 2V
-Hệ số khuếch đ ại dòng h
FE
=15 đến 100.

Dòng điều khiển I
B
đến 10A và lớn hơn dòng điều khiển của Thyristor

Các trạng thái đóng ngắt.
•
U
CE
>0, I
B
>I
Bmin
: BJT đóng
•
I

B
<=0: BJT ngắt
Lê Ngọc Bích
Transistor BJT công suất

Mạch bảo vệ:

Để bảo vệ quá áp trong quá trình đóng ngắt BJT ta có thể sử dụng
các mạch dưới đây:
•
Để giảm tốc độ tăng áp khoá dt/du trong quá trình ngắt ta mắc
song song BJT với tụ (mạch Snubber RC và R, diode, C)
•
Để giảm tốc độ tăng dòng dt/di khi đóng mạch ta dùng cuộn
cảm mắc nối tiếp với BJT vì L có tác dụng giảm tốc độ tăng
dòng, tích năng lượng, sau đó đ ược xả qua mạch L,R.
Lê Ngọc Bích
Transistor BJT công suất

Mạch kích:

Nguyên tắc thiết kế mạch sao cho BJT được đóng ngắt bởi
dòng I
B
thích hợp, và thay đổi được dòng I
C
trong mọi điều
kiện. Trong đó nhiệm vụ của mạch kích:
•
Giảm thời gian chuyển trạng thái (ton, toff): bằng cách

cho dòng kích I
B
giai đoạn đầu khá lớn và sau đó giảm
dần.
•
Cách ly điện giữa mạch điều khiển và mạch công suất:
dùng biến áp xung hoặc linh kiện quang điện tử (opton)
Lê Ngọc Bích
Transistor trường MOSFET (Metal Oxid Semiconductor
Field Effect Transistor)
Lê Ngọc Bích
Transistor trường MOSFET

Lọai transistor có khả năng đóng ngắt nhanh và tổn
hao do đóng ngắt thấp được gọi là Metal Oxide
Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET)
với cổng điều khiển bằng điện trường (điện áp).
MOSFET được sử dụng nhiều trong các ứng dụng
công suất nhỏ (vài kW) và không thích hợp sử dụng
cho các ứng dụng có công suất lớn. Tuy nhiên, linh
kiện MOSFET khi kết hợp với công nghệ linh kiện
GTO lại phát huy hiệu quả cao và chúng kết hợp với
nhau tạo nên linh kiện MTO có ứng dụng cho các tải
công suất lớn.
Lê Ngọc Bích
Transistor trường MOSFET

Lê Ngọc Bích
Transistor trường MOSFET


MOSFET có hai lọai pnp và npn. Trên
hình bên mô tả cấu trúc MOSFET lọai
npn. Giữa lớp kim lọai mạch cổng và
các mối nối n+ và p có lớp điện môi
silicon oxid SiO. Điểm thuận lợi cơ
bản của MOSFET là khả năng điều
khiển kích đóng ngắt linh kiện bằng
xung điện áp ở mạch cổng. Khi điện
áp dương áp đặt lên giữa cổng G và
Source, tác dụng của điện trường
(FET) sẽ kéo các electron từ lớp n+
vào lớp p tạo điều kiện hình thành một
kênh nối gần cổng nhất, cho phép dòng
điện dẫn từ cực drain (collector) tới
cực Source (emitter).
Lê Ngọc Bích
Transistor trường MOSFET

MOSFET đòi hỏi công suất tiêu
thụ ở mạch cổng kích thấp, tốc độ
kích đóng nhanh và tổn hao do
đóng ngắt thấp. Tuy nhiên,
MOSFET có điện trở khi dẫn điện
lớn. Do đó, công suất tổn hao khi
dẫn điện lớn làm nó không thể
phát triển thành linh kiện công
suất lớn.

Đặc tính V-A linh kiện loại n
được vẽ trên hình bên, có dạng

tương tự với đặc tính V-A của
BJT. Điểm khác biệt là tham số
điều khiển là điện áp kích UGS
thay cho dòng điện kích IBE.
Lê Ngọc Bích
Transistor trường MOSFET

MOSFET ở trạng thái ngắt khi điện áp cổng thấp hơn giá trị UGS.

Để MOSFET ở trạng thái đóng, đòi hỏi điện áp cổng tác dụng liên tục.
Dòng điện đi vào mạch cổng điều khiển không đáng kể trừ khi mạch ở
trạng thái quá độ, đóng hoặc ngắt dòng.

Thời gian đóng ngắt rất nhỏ, khoảng vài ns đến hàng trăm ns phụ thuộc
vào linh kiện.

Điện trở trong của MOSFET khi dẫn điện Ron thay đổi phụ thuộc vào khả
năng chịu áp của linh kiện. Do đó, các linh kiện MOSFET thường có định
mức áp thấp tương ứng với trở kháng trong nhỏ và tổn hao ít.

Tuy nhiên, do tốc độ đóng ngắt nhanh, tổn hao phát sinh thấp. Do đó, với
định mức áp từ 300V- 400V MOSFET tỏ ra ưu điểm so với BJT ở tần số
vài chục kHz.

MOSFET có thể sử dụng đến mức điện áp 1000V, dòng điện vài chục
amper và với mức điện áp vài trăm volt với dòng cho phép đến khoảng
100A. Điện áp điều khiển tối đa 20V (2V,5V,10V tùy theo loại), mặc dù
thông thường có thể dùng áp đến 5V để điều khiển được nó.

Các linh kiện MOSFET có thể đấu song song để mở rộng công suất.

Lê Ngọc Bích
Transistor trường MOSFET

Mạch kích MOSFET
Để giảm thời gian kích đóng t
on
của MOSFET ta có thể sử dụng dạng mạch
(hình a)
Khi tác dụng điện áp UG , dòng điện tích điện ban đầu cho tụ mạch cổng G:
Sau đó điện áp xác lập trên cổng là
Lê Ngọc Bích
Transistor trường MOSFET

Sơ đồ mạch kích được cải thiện
trên hình b và sử dụng cấu trúc
totem-pole gồm 2 transistor NPN
và PNP. Khi điện áp kích U1 ở
mức cao, Q1 dẫn và Q2 khóa làm
MOSFET dẫn. Khi tin hiệu U1
thấp, Q1 ngắt, Q2 dẫn làm các
điện tích trên mạch cổng được
phóng thích và MOSFET trở nên
ngắt điện. Tín hiệu U1 có thể lấy
từ mạch collector mở (open-
collector TTL) và totem-pole
đóng vai trò mạch đệm (buffer).
Lê Ngọc Bích
Transistor trường MOSFET

Cấu tạo khác biệt của

MOSFET so với BJT
làm cho linh kiện hoạt
động tốt mà không cần
bảo vệ nhiều như BJT.
Tuy nhiên, ta có thể sử
dụng mạch RC nhỏ
mắc song song với ngõ
ra của linh kiện để hạn
chế tác dụng các gai
điện áp và các xung
nhiễu dao động xuất
hiện khi linh kiện đóng.
Lê Ngọc Bích
IGBT (INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR)

IGBT là transistor công suất
hiện đại, chế tạo trên công
nghệ VLSI, cho nên kích
thước gọn nhẹ. Nó có khả
năng chịu được điện áp và
dòng điện lớn cũng như tạo
nên độ sụt áp vừa phải khi
dẫn điện.